1、第第 六六 章章核酸代谢及核酸代谢及蛋白质生物合成蛋白质生物合成核苷酸的生物功用核苷酸的生物功用l作为核酸合成的原料作为核酸合成的原料l体内能量的利用形式体内能量的利用形式l参与代谢和生理调节参与代谢和生理调节l组成辅酶组成辅酶l活化中间代谢物活化中间代谢物第一节第一节 核苷酸的代谢核苷酸的代谢一、嘌呤核苷酸的合成代谢一、嘌呤核苷酸的合成代谢l从头合成途径从头合成途径( (de novo synthesis pathway) )l补救合成途径补救合成途径( (salvage synthesis pathway) ) 嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用磷酸嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用磷酸核糖、
2、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的途径。苷酸的途径。 肝肝是体内是体内从头合成嘌呤从头合成嘌呤核苷酸的主要器官，核苷酸的主要器官，其次是其次是小肠小肠和和胸腺胸腺，而，而脑、骨髓脑、骨髓则无法进行此则无法进行此合成途径。合成途径。（一）嘌呤核苷酸的从头合成（一）嘌呤核苷酸的从头合成定义定义合成部位合成部位嘌呤碱合成的元素来源嘌呤碱合成的元素来源CO2天冬氨酸天冬氨酸甲酰基甲酰基（一碳单位）（一碳单位）甘氨酸甘氨酸甲酰基甲酰基（一碳单位）（一碳单位）谷氨酰胺谷氨酰胺（酰胺
3、基）（酰胺基）过程过程1. IMP的合成的合成2. AMP和和GMP的生成的生成1. IMP的合成过程的合成过程 磷酸核糖酰胺转移酶磷酸核糖酰胺转移酶 GAR合成酶合成酶 转甲酰基酶转甲酰基酶 FGAM合成酶合成酶 AIR合合成成酶酶IMP生成总反应过程生成总反应过程腺苷酸代琥珀酸合成酶腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脱氢酶脱氢酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶合成酶2、AMP和和GMP的生成的生成（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径腺嘌呤腺嘌呤 + + PRPPAMP + PPiAPRT次黄嘌呤次黄嘌呤 + + PRPPIMP + PPiHGPRT鸟
4、嘌呤鸟嘌呤 + + PRPPHGPRTGMP + PPi合成过程合成过程腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷腺苷激酶腺苷激酶ATPADPAMP二、嘌呤核苷酸的分解代谢二、嘌呤核苷酸的分解代谢核苷酸核苷酸核苷核苷核苷酸酶核苷酸酶Pi核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶碱基碱基1- 1-磷酸核糖磷酸核糖嘌呤碱的最终嘌呤碱的最终代谢产物代谢产物AMPAMPGMPGMPH H（次黄嘌呤）（次黄嘌呤）G GX X（黄嘌呤）（黄嘌呤）黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤黄嘌呤氧化酶氧化酶第二节第二节嘧啶核苷酸的代谢嘧啶核苷酸的代谢l从头合成途径从头合成途径l补救合成途径补救合成途径一、嘧啶核苷酸的合成代谢一、嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶合成的
5、元素来源嘧啶合成的元素来源氨基甲氨基甲酰磷酸酰磷酸天冬氨酸天冬氨酸1. 尿嘧啶核苷酸的合成尿嘧啶核苷酸的合成合成过程合成过程2. 胞嘧啶核苷酸的合成胞嘧啶核苷酸的合成ATPADP尿苷酸激酶尿苷酸激酶UDP二磷酸核苷激酶二磷酸核苷激酶ATPADPUTPCTP合成酶合成酶谷氨酰胺谷氨酰胺ATP谷氨酸谷氨酸ADP+Pi二、嘧啶核苷酸的分解代谢二、嘧啶核苷酸的分解代谢嘧啶碱嘧啶碱1-磷酸核糖磷酸核糖嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸核苷核苷 核苷酸酶核苷酸酶PPi核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶组成组成DNA的各种脱氧核糖核苷酸是在的各种脱氧核糖核苷酸是在各种核苷酸的基础上由核糖核苷酸还各种核苷酸的基础上由核糖核苷酸还原酶
6、催化而成，但此反应是在二磷酸原酶催化而成，但此反应是在二磷酸核苷水平上进行的。核苷水平上进行的。三三、脱氧核糖脱氧核糖核苷酸的核苷酸的合成合成第三节第三节DNA的生物合成的生物合成一、一、DNA的半保留复制的半保留复制 DNA生物合成时，母链生物合成时，母链DNA解开为两解开为两股单链，各自作为模板股单链，各自作为模板(template)按碱基配对按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的一股单链则完全从新合成。两个子细胞的DNA都和亲代都和亲
7、代DNA碱基序列一致。这种复制碱基序列一致。这种复制方式称为方式称为半保留复制半保留复制。半保留复制的概念半保留复制的概念（一）（一）参与参与DNA复制的物质复制的物质 底物底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP聚合酶聚合酶(polymerase): 依赖依赖DNA的的DNA聚合酶，简写聚合酶，简写 为为 DNA-pol模板模板(template) : 解开成单链的解开成单链的DNA母链母链引物引物(primer): 提供提供3 -OH末端使末端使dNTP可以依次聚合可以依次聚合 其他的酶和蛋白质因子其他的酶和蛋白质因子复制的化学反应复制的化学反应 (dNM
8、P)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi 1、DNA聚合酶聚合酶全称：全称：依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase)简称：简称：DNA-pol活性：活性：1. 53 的聚合活性的聚合活性2. 核酸外切酶活性核酸外切酶活性2 2、DNA连接酶连接酶连接连接DNA链链3 -OH末端和相邻末端和相邻DNA链链5 -P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的邻的DNA链连接成一条完整的链。链连接成一条完整的链。 DNA连接酶连接酶(DNA ligase)作用方式作用方式POO-O-OHO5
9、POO-O-O335DNA连接酶连接酶ATPADP5353 3.解螺旋酶、引物酶和单链解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白结合蛋白理理顺顺DNA链链拓拓扑扑异异构构酶酶 (gyrA, B)稳稳定定已已解解开开的的单单链链单单链链DNA结结合合蛋蛋白白SSB催催化化RNA引引物物生生成成引引物物酶酶DnaG (dnaG)运运送送和和协协同同DnaBDnaC (dnaC)解解开开DNA双双链链解解螺螺旋旋酶酶DnaB (dnaB)辨辨认认起起始始点点DnaA (dnaA)蛋蛋白白质质（基基因因）通通用用名名功功能能原原核核生生物物复复制制起起始始的的相相关关蛋蛋白白质质（二）（二）DNA复制复制过
10、程过程 1 1、起始起始需要解决两个问题：需要解决两个问题：DNA解开成单链，提供模板。解开成单链，提供模板。合成引物，提供合成引物，提供3 -OH末端。末端。E.coli复制起始点复制起始点 oriC GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTCTTATTAG 1 13 17 29 32 44 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 24558 66 166 174 201 209 237 245 串联重复序列串联重复序列 反向重复序列反向重复序列
11、5 3 5 3 DNA解链解链 Dna A Dna B、 Dna CDNA拓扑异构酶拓扑异构酶引物引物酶酶SSB3 5 3 5 引发体和引物引发体和引物含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。复制起始区域的复合结构称为引发体。 3 5 3 引物是由引物酶催化合成的短链引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。分子。 引物引物3 HO5引物引物酶酶2 2、延长延长复制的延长指在复制的延长指在DNA-pol催化下，催化下，dNTP以以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的
12、不断生成。其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。 原核生物基因是环状原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制双向复制的复制片片 段在复制的终止点段在复制的终止点(ter)处汇合。处汇合。3 3、终止终止复复制制过过程程简简图图二、二、与复制有关的生化过程与复制有关的生化过程遗传物质的结构改变而引起的遗传信息遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为改变，均可称为突变突变。从分子水平来看，突变就是从分子水平来看，突变就是DNA分子上分子上碱基的改变。碱基的改变。 突变的分子改变类型突变的分子改变类型点点突变突变缺失缺失 (deletion)插入插入 (insertion)倒位倒位框移框移(fr
13、ame-shift) DNA损伤的修复损伤的修复修复修复(repairing) 是对已发生分子改变的补偿是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。措施，使其回复为原有的天然状态。光修复光修复(light repairing)切除修复切除修复(excision repairing)重组修复重组修复(recombination repairing)SOS修复修复 修复的主要类型修复的主要类型三、反转录作用三、反转录作用逆转录酶逆转录酶(reverse transcriptase) 逆转录逆转录(reverse transcription) 逆转录逆转录酶酶逆转录病毒细胞内的逆转录现象
14、逆转录病毒细胞内的逆转录现象RNA 模板模板逆转录酶逆转录酶DNA-RNA 杂杂化双链化双链RNA酶酶单链单链DNA逆转录酶逆转录酶双链双链DNA第四节第四节RNA的合成的合成转录转录 (transcription) 生物体以生物体以DNA为模板合成为模板合成RNA的过程。的过程。 转转录录RNADNA 一、一、参与参与转录转录的酶的酶 原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶 36512 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618 催化功能催化功能 155613 结合结合DNA模板模板 70263 辨认起始点辨认起始点亚亚 基基分分 子子 量量功功 能能真核生物的真核生物的RNA聚合酶
15、聚合酶 种类种类对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱的反应的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感转录产物转录产物DNA分子上转录出分子上转录出RNA的区段，称为的区段，称为结构基因结构基因(structural gene)。 DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为的一股单链，称为模板链模板链(template strand)，也称也称作作有意义链有意义链或或Watson链链。相对的另一股单链是。相对的另一股单链是编编码链码链(coding strand)，也称为也称为反义链反义链或或Cric
16、k链链。 二二、转录过程转录过程 转录模板转录模板 1 1、转录起始转录起始（2） DNA双链解开双链解开（1） RNA聚合酶全酶聚合酶全酶与模板结合与模板结合 （3）在）在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，聚合酶作用下发生第一次聚合反应， 形成转录起始复合物形成转录起始复合物5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi2 2、转录转录延长延长（1） 亚基脱落，亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，聚合酶核心酶变构， 与模板结合松弛，沿着与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；模板前移；（2） 在在核心酶核心酶作用下，作用下，NTP不断聚合，不断聚合，RN
17、A 链不断延长。链不断延长。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi3 3、转录转录终止终止指指RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上停顿下来不模板上停顿下来不再前进，转录产物再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱链从转录复合物上脱落下来。落下来。 复制和转录的区别复制和转录的区别 A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复
18、制复制A-U，T-A，G-CA-T，G-C配对配对mRNA，tRNA，rRNA子代双链子代双链DNA（半保留复制）半保留复制）产物产物RNA聚合酶（聚合酶（RNA-pol）DNA聚合酶聚合酶酶酶NTPdNTP原料原料模板链转录（不对称转录）模板链转录（不对称转录）两股链均复制两股链均复制模板模板转录转录复制复制三三、真核细胞内转录后修饰真核细胞内转录后修饰 1 1、mRNA的转录后加工的转录后加工修饰修饰首、尾的修饰首、尾的修饰 5 端形成端形成 帽子结构帽子结构(m7GpppGp ) 3 端加上端加上多聚腺苷酸尾巴多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)mRNA的的剪接剪接切去切去内含子，将
19、余下的外显子拼接。内含子，将余下的外显子拼接。内部某些序列甲基化内部某些序列甲基化2 2、tRNA的转录后加工的转录后加工修饰修饰3端加上端加上CCAOH以形成氨基酸以形成氨基酸臂臂生成稀有碱基。生成稀有碱基。3 3、rRNA的转录后加工的转录后加工修饰修饰剪切后形成大小亚基剪切后形成大小亚基第四节第四节蛋白质蛋白质的生物合成的生物合成一、几种一、几种RNA在蛋白质合成中的作用在蛋白质合成中的作用（一）（一）mRNA的遗传信息传递作用的遗传信息传递作用1、 mRNA上存在遗传密码上存在遗传密码mRNA分子上从分子上从5 至至3 方向，由方向，由AUG开开始，每始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上
20、某一个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为称为三联体密码三联体密码(triplet coden)。起始密码起始密码(initiation coden): AUG 终止密码终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA 2、 蛋白质合成中蛋白质合成中mRNA是是多肽合成多肽合成 的模板。的模板。3、 翻译方向：翻译方向：5到到3（二）（二）tRNA作为氨基酸的转运工具作为氨基酸的转运工具（三）（三）rRNA与多种蛋白质一起组成核糖与多种蛋白质一起组成核糖 体，作为肽链合成场所。体，作为肽链合成场所。
21、二、氨基酸的活化二、氨基酸的活化氨基酸氨基酸 + tRNA氨基酰氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶三、蛋白质生物合成过程三、蛋白质生物合成过程n翻译的起始(initiation)n翻译的延长(elongation)n翻译的终止(termination )整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为 ：翻译过程从阅读框架的翻译过程从阅读框架的5 -AUG开始，按开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。至终止密码出现。 1 1、肽链合成起始、肽链合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译
22、起始复合物翻译起始复合物。n核蛋白体大小亚基分离；n起始氨基酰起始氨基酰-tRNA结合；nmRNA在核蛋白体小亚基就位；n核蛋白体大亚基结合。2 2、肽链延长阶段、肽链延长阶段指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。 n肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下几步：n进位n成肽n脱落n转位进进位位转转位位成肽成肽3 3、肽链终止阶段、肽链终止阶段当当mRNA上终止密码出现后，多肽上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。为肽链合成终止。四、多核糖体四、多核糖体(polysome)使蛋白质合成高使蛋白质合成高速、高效进行。速、高效进行。五、翻译后的加工修饰五、翻译后的加工修饰1、切去、切去N末端的蛋氨酰基。末端的蛋氨酰基。2、二个半胱氨酸间形成、二个半胱氨酸间形成SS键，键， 生成胱氨酸。生成胱氨酸。3、氨基酸残基侧链的加工。、氨基酸残基侧链的加工。4、连接辅基。、连接辅基。5、切去无功能肽段。、切去无功能肽段。
